Spray Characteristics of Solenoid-driven and Piezo-driven Type Injectors for the Clean Diesel Engine Application

(1)

클린 디젤엔진 적용을 위한 솔레노이드 및 피에조 인젝터의 분무특성

전 문 수

^†

Spray Characteristics of Solenoid-driven and Piezo-driven Type Injectors for the Clean Diesel Engine Application

Mun Soo Chon

^†

Key Words: Spray characteristics(분무 특성), Injection condition(분사 조건), Piezo-driven type injector(피에조 인젝터), Clean diesel engine(클린디젤엔진)

Abstract

This paper presents spray characteristics of piezo-driven type common-rail injector and comparisons to those of solenoid- driven type. Experiments were conducted to measure spray penetraion and SMD distributions using a spray visualization system and PDPA (phase Doppler particle analyzer) system. Injection conditions including injection pressure and energizing durations were varied in order to analyzing effects of injection conditions on spray characteristics. Furthermore, ambient pres- sures were increased for keeping ambient gas density close to in-cylinder pressure of diesel engine. Results showed that injection delay of piezo-driven type injector was much shorter than those of solenoid driven type and exhibited enhanced atomization performances.

1. 서 론

최근 화석 연료 사용 및 수송용 차량의 급증으로 지 구 온난화 문제는 더욱 심각해지고 있다. 따라서 자동차 로부터 배출되는 이산화탄소의 발생을 억제하기 위한 고연비 차량에 대한 관심은 Euro-6와 같은 범 국가적 규 제 차원을 떠나 소비자에게는 실생활 문제로 인식되고 있어 이를 만족시키기 위한 기술적 노력이 절실히 요구 되고 있는 상황이다. 이러한 노력의 일환으로 열효율 측 면에서 상대적으로 유리한 디젤 자동차의 보급이 유럽 을 중심으로 전 세계적으로 꾸준히 증가하고 있으며, 국 내의 경우에도 커먼레일 방식의 연료 공급 시스템을 장 착한 승용 디젤 자동차의 보급이 점차로 증가하고 있는

추세이다^(1,2).

승용 디젤 엔진은 기존 디젤 엔진의 연료 분사 압력 을 약 1,350 bar로 상승 시킬 수 있는 고압 분사 시스템 과 이를 정밀하게 제어할 수 있는 커먼레일 시스템 및 솔레노이드 구동 방식의 인젝터가 개발되면서부터 본격 적으로 대중적 보급이 이루어지기 시작되었으며, 최근 에는 약 2,000 bar 이상의 분사 압력에서 연료 분사의 정밀 제어가 가능한 서보 솔레노이드 방식 인젝터와 인 젝터 밸브 개폐 시간의 정밀 제어가 가능하고 응답 속 도가 매우 우수한 피에조 타입 인젝터 등이 개발되어 Euro-6 및 Post Euro-6와 같은 보다 엄격한 연비 및 배 기 규제를 만족시킬 수 있는 클린 디젤 자동차의 핵심 연소 기술을 개발할 수 있는 기술적 토대가 어느 정도 이루어진 상태이다^(3,4).

2,000 bar 이상의 고압 연료 분사 시스템 적용은 다량 의 연료 분사 및 미립화의 촉진으로 인한 고효율 연소 로 연비 향상 및 유해 배기 가스 생성 억제가 가능하여 Euro-6 및 Post Euro-6 배기 규제에 능동적으로 대응하

(2012

년

9

월

18

일접수

~ 2012

년

9

월

21

일심사완료

, 2012

년

9

월

24

일게재확정

)

†한국교통대학교에너지시스템공학과

E-mail : [email protected]

TEL : (043)841-5292 FAX : (043)841-5280

(2)

기위한필수적인핵심연소기술이다

.

따라서본연구에서는전술한서보솔레노이드및피 에조방식의 고압디젤인젝터의클린디젤엔진적용 가능성을확인하고연소실형상최적화를위한데이터 를확보하기위하여연료분사압력

,

분위기압력

,

분사 기간등다양한분사조건변화에따른연료분사율

,

분 무도달거리및분무평균입경등을실험적으로규명 하였다

.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 장치

본연구에서는먼저서보솔레노이드및피에조방식 의고압디젤인젝터의클린디젤엔진적용성을 확인

하고자

Bosch

법을이용한분사율측정장치를사용하여

연료분사율특성을파악하였다⁽⁵⁾

.

^연료^분사율^측정^장

치는인젝터관내의압력파를측정하는압력센서가장 착된어댑터

,

길이가약

5 m

인측정관

,

그리고잔여맥 동을감쇠하기위한압력용기와배압을조절하고유지 시키는압력조절밸브로구성하였으며

,

인젝터의분사 신호와압력취득신호를동기화를위한인젝터드라이

버

,

^관내의^압력의^변화를^측정하기^위해^최고

200 bar

까지측정할수있는압력센서및등을사용하여연료 분사율데이터를취득하였다

.

한편

, Fig. 1

과

Fig. 2

에는각각고압 인젝터의분사

조건변화에따른분무가시화및분무발달과정을촬 영하기위한가시화시스템과분사된연료액적의입경 을측정하기위한분무 입경측정 시스템의개략도를 나타내었다

.

^분무^발달^과정을^{정량화하기}^위한^가시화

시스템은 커먼레일 방식의 고압 연료 공급 장치

,

Nd:YAG

레이저를광원으로하는고속카메라

,

분무영

상취득및분석장치등으로구성하였으며

,

고속카메 라의촬영신호와인젝터의 분사신호는디지털함수 발생기를이용하여동기화하였다

.

또한인젝터는인젝 터드라이버를통해원하는조건에서구동할수있도록 시스템을구축하였으며

,

^실제^엔진^연소실의^조건을^모

사하기위해최대

6 MPa

까지가압할수있는체임버를

사용하였다⁽⁶⁾

.

분무입경측정은

5W

^수냉식

Ar-ion

^레이저

,

^트랜스

미터

,

리시버

,

신호처리장치등으로구성된위상도플 러입자분석기를사용하였다⁽⁷⁾

.

2.2 실험 조건 및 방법

분무특성을비교하기위한테스트인젝터는서보솔 레노이드구동방식인젝터

2

개

,

피에조구동방식인젝 터

1

^개^등^총

3

^개^인젝터를^대상으로 ^실험을^수행하였

다

.

먼저분사및가시화결과를비교하기위한실험조 건으로

3 MPa

의분위기압력과

40 MPa, 80 MPa, 120

MPa

^의^분사^압력^조건에서^연료^분사를^위한^인젝터^통

전시간을각각

0.6 msec, 0.9 msec, 1.2 msec

로변화시 키면서연료분사량및분사율을측정하였으며

,

실험인

젝터의종류

,

분사율및분무특성실험조건을

Table 1,

Table 2

에각각정리하여나타내었다

.

한편

,

분무입경측정을위하여

Fig. 3

에나타낸가시

화결과를이용하여분무중앙의축방향인

Z

축

,

분무 방향좌측인

L

^축

,

^그리고^우측인

R

^축을^정의하고^노즐

Fig. 1 Schematics of a spray visualization system

Fig. 2 Schematics of a PDPA system

Table 1 Specifications of test injectors

Test injector P1/S1/S2

Type of injector Piezo/Solenoid/Solenoid

No. of holes 8/7/8

(3)

팁으로부터분무중심을따라

5 mm

떨어진위치를분 무입경측정위치로정의하였다

.

3. 결과 및 고찰

3.1 연료 분사율 특성

Fig. 4

^는^각각

Table 1

^에^나타낸^인젝터에 ^대해^연료

의분사압력및인젝터통전시간변화에따른분사량 및분사율을나타낸선도이다

.

분사압력이증가할수록 연료분사량이 선형적으로증가하는 경향을확인할수 있으며

,

각인젝터들의연료분사량은대체적으로유사 하게나타고있음을알수있다

.

선도에서

S1

인젝터의

연료분사량이다소낮게나타나는원인은

Table 1

에나

타난바와같이

S1

^인젝터의^홀^개수가

7

^개로^다른^인

젝터보다작기때문이다

.

한편

, 3 MPa

의분위기 압력에서

120 MPa

의분사압

력으로연료를분사하였을때세가지인젝터의분사율

특성을나타낸

Fig. 5

를살펴보면

, Piezo

구동방식인젝

터는통전시작후약

0.22 msec

를지나면서실제연료

의분사가이루어지나

, Solenoid

^구동^인젝터는^이보다

조금늦은통전후약

0.34 ms

에연료분사가이루어져

본연구에적용한인젝터의 경우분사시작에대한응

답성은

Piezo

구동인젝터가

Solenoid

구동인젝터에비

해약

0.12 msec

더빠르다는것을알수있으며

, Sole-

noid

구동인젝터의분사종료응답성은분사기간이길

어질수록느려지고있음을확인할수있다

.

3.2 분무 가시화 특성

Fig. 6

에는

80 MPa

의분사압력및

2 MPa

의분위기

압력에서

1.2 ms

^의^통전^시간으로^연료를^분사한^경우

세가지인젝터의에서분사된분무특성을가시화하여 나타낸결과이다

.

S2

^인젝터의^경우

,

^통전^시간^후

0.5 ms

^에서^분무^발

달이다른두인젝터와 비해다소느리게성장되는 결 과를보이고있다

.

이러한현상을정량적으로파악하기 위하여분사압력및분위기 압력변화에따른가시화 결과를분무도달거리로정량화하여

Fig. 7

에나타내었 다

.

선도에서알수있듯이동일분사압력에서분사초 기구간에서분무도달거리곡선의기울기변화는거

Table 2 Test conditions for injection rate Injection pressure [MPa] 40, 80, 100, 120 Ambient pressure [MPa] 0.1, 1, 2, 3**

Energizing duration [msec] 0.6*, 0.9, 1.2 Induced voltage*** [V] 180

*PDPA measurements only

**Injection rate measurements only

***Piezo type injector only

Fig. 3 Measurement point for SMD of spray

Fig. 4 Effects of injection pressure on injection quantity

Fig. 5 Effects of injection pressure on injection rate

(P

inj

=120 MPa, P

amb

=3 MPa)

(4)

의없었으며통전시간이증가함에따라분무도달거리 가증가하고

,

분위기 압력이증가함에따라분무도달 거리는감소하는것으로나타났다

.

3.3 분무 미립화 특성

Fig. 8

은

100 MPa

의분사압력에서

P1

인젝터와

S1

인젝터의

SMD

데이터를측정하여나타낸결과이다

.

Fig. 8

^의

(a)

^에^나타낸

P1

^인젝터의^경우

,

^분사^시작

후약

1.0~1.5 msec

에서

SMD

가급격하게감소하고 있

으며

S1

인젝터는분사가시작된후

1.2~2.0 ms

범위에

서

SMD

^의^급격한^감소^나타나고^있다

.

^이러한^결과는

피에조구동방식인젝터의응답성능이솔레노이드구 동방식인젝터에보다우수하기때문에상대적으로빠 른시간에분사된연료가먼저미립화되어나타나는현

상으로

Fig. 5

에나타낸 분사율특성결과와 일치하는

경향을보이고있다

.

3.4 고압 분무 특성

Fig. 9

는

200 MPa

의고압분사조건에서서보솔레노

이드구동방식 인젝터의분사율특성파악하기 위해

Fig. 6 Comparison of spray visualization results

Fig. 7 Effects of injection pressure on spray tip penetra- tion

Fig. 8 Comparison of SMD measurements

(5)

측정한결과를

50 MPa

및

100 MPa

분사압력경우와 비교하여나타낸선도이다

.

^본^연구에^적용된^서보^솔레

노이드구동방식인젝터는분사압력이증가할수록분

사율

peak

값이증가하고있음을알수있으며

,

분사시

작에대한응답성은분사압력과는무관하게동일한것 으로나타나나분사종료응답성은분사압력이증가할 수록느려지고있음을확인할수있다

.

한편

, 200 MPa

^의^고압^분사^조건에서^서보^솔레노이

드인젝터의분사시간경과에따른

SMD

측정결과는

Fig. 10

에나타내었다

.

분사압력을

200 MPa

로증가시

킨경우에는

100 MPa

^의^분사^조건에^비해^미립화가^좀

더촉진되어

Fig. 8

에나타낸

SMD

측정결과보다낮

은수준인

15~10

µ

m

범위에분포하고 있음을확인할

수있다

.

5. 결 론

본연구에서는클린디젤엔진적용가능성을평가하 고연소실형상최적화를위하여다양한분사조건에서 서보솔레노이드및피에조방식의고압디젤인젝터 분무특성을실험적으로규명하였으며

,

그결과다음과 같은결론을얻을수있었다

.

1)

분사율측정결과

,

본연구에적용한인젝터의 경

우분사시작점에서

Piezo

구동인젝터가

Solenoid

구동 인젝터에좀더빠른응답성을갖는다는것을확인하였

으며

, Solenoid

구동인젝터의분사종료응답성은분사

기간이길어질수록느려지고경향을나타내었다

. 2) Piezo

및

Solenoid

구동방식과는무관하게동일분 사압력에서분사초기구간에서분무도달거리곡선 의기울기변화는미미하였으며

,

통전시간이증가함에 따라분무도달거리는증가하고

,

분위기압력이증가할 수록분무도달거리는감소하였다

.

3)

분무미립화특성실험결과

, Piezo

구동방식인

젝터의응답성능이

Solenoid

구동방식인젝터에보다

우수하여분사된연료가상대적으로빠른시간에미립 화되었으며

,

이러한결과는분사율특성결과와일치하 였다

.

4)

^서보

Solenoid

^인젝터의 ^분사^압력을

200 MPa

^로

증가시킨경우

, 100 MPa

의분사조건에비해분사량은

증가하였으며

,

미립화가촉진되어

SMD

는보다낮은수 준인

15~10

µ

m

범위에분포하였다

.

후 기

이논문은

2012

년도한국교통대학교교내학술연구비

의지원을받아수행한연구임

.

참고문헌

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Fig. 9 Effects of injection pressure on injection rate (P

inj

=50, 100, 200 MPa, P

amb

=3 MPa)

Fig. 10 SMD measurements at 200 MPa injection pres-

sure

(6)

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